魏建蘇,朱偉軍,嚴文蓮,孫燕,吳潔,劉建文

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044;2.江蘇省氣象臺,江蘇南京 210008;3.江蘇省氣象科技服務中心,江蘇南京 210008;4.河北省氣象科技服務中心,河北石家莊 050021)

江蘇沿海地區(qū)霧的氣候特征及相關影響因子

魏建蘇1,2,朱偉軍1,嚴文蓮2,孫燕2,吳潔3,劉建文4

(1.南京信息工程大學氣象災害省部共建教育部重點實驗室,江蘇南京 210044;2.江蘇省氣象臺,江蘇南京 210008;3.江蘇省氣象科技服務中心,江蘇南京 210008;4.河北省氣象科技服務中心,河北石家莊 050021)

利用江蘇沿海6個基本氣象站49 a(1960—2008年)的氣象觀測資料,對江蘇沿海地區(qū)霧的時空分布特征和霧過程持續(xù)時間等進行了統計分析,并探討了影響沿海霧生成的相關因子。結果表明:江蘇沿海地區(qū)霧日數呈江淮地區(qū)>沿江蘇南地區(qū)>淮北地區(qū)的特點;其年代變化總體是一個先上升后下降的趨勢,且21世紀后明顯下降;霧日數呈春季和初冬季節(jié)多、夏秋季節(jié)少的分布特點;一天中霧大部分時段出現在01—09時,春秋季節(jié)霧頻次最高的時次在早上的06—07時,強濃霧次數在07時(春季)或08時(冬季)前后達到最大;各地霧過程出現的頻次隨著霧持續(xù)時間的增加而減少,持續(xù)時間大于6 h霧的頻次近年來在增加,且霧持續(xù)時間極端最長有上升趨勢。沿海地區(qū)霧絕大多數發(fā)生在風速小于等于7 m/s的情況下,以1～3 m/s最為適宜,多出現在NNE—SSE風情況下。霧季平均海水溫度為7.45～22.24℃

霧;氣候特征;風速;海溫;江蘇沿海地區(qū)

0 引言

霧是指大量微小水滴或冰晶懸浮在貼地層空氣中,使水平能見度小于1 km的天氣現象。霧滴對可見光的強散射作用會降低能見度[1],危害交通。同時霧加劇近地層空氣污染,使霧水酸化[2-3],危害人體健康。我國沿海地區(qū)多有霧發(fā)生,由于其特殊的地理位置,在一定條件下,海霧能夠深入內陸幾十、甚至幾百公里遠,造成沿海地區(qū)出現低能見度的大霧天氣[4],給沿海地區(qū)交通航運、海洋捕撈和水產養(yǎng)殖、港務活動及農作物和人類身體健康等帶來不利影響。因此,對沿海地區(qū)霧的研究受到了許多學者的重視。Lewis等[5]對加利福尼亞沿岸海霧的形成和消散機制進行了分析,Cho等[6]利用大氣下墊面的水文資料對朝鮮半島周邊海域海霧的形成機制也進行了解釋。國內許多學者還通過利用近海和沿海臺站資料對沿海地區(qū)霧進行了大量研究[7]。王鑫等[8]和何云開等[9]分別從黃海和南海北部海霧不同季節(jié)的氣候特征以及年際變化出發(fā)分析了大氣環(huán)流背景場的特點,從而獲得海霧與氣候特征場之間的關系。廣西[10]、浙江[11]、青島[12]、天津[13]、大連[14]等地都對其沿?；蚪５貐^(qū)霧進行了大量研究,并對其霧的發(fā)生頻率、日變化、持續(xù)時間等進行了統計分析。這些研究讓我們對沿海一些地區(qū)霧的氣候特征及成因等方面有了更多的認識,同時也看到海霧的發(fā)生具有非常明顯的海域性[15],且由于不同海區(qū)和地形存在差異,我國不同沿海區(qū)域內的霧時空分布具有較強局地性,強度及持續(xù)時間等各地也差別較大。江蘇地處東部沿海,東臨黃海,黃海是我國海霧發(fā)生最頻繁的海區(qū)之一[16]。陳瀟瀟等[17]指出華東沿海地區(qū)重濃霧具有增多的趨勢,日常氣象觀測資料也顯示,江蘇沿海地區(qū)霧發(fā)生頻繁。為了獲得對江蘇沿海地區(qū)霧的時空變化及影響因素等方面更為全面的認識,本文利用1960—2008年共49 a的資料,對江蘇沿海地區(qū)霧進行統計分析,并對其影響因子等進行初步的探討。

1 資料來源

本文選用1960—2008年江蘇沿岸6個基本氣象臺站(自北向南依次為:贛榆、西連島、射陽、大豐、如東和呂泗,分別代表淮北、江淮和沿江蘇南沿海)的霧相關觀測資料,以20時(北京時,下同)為日界。其中常規(guī)氣象要素資料中,呂泗(1992—2008年)為逐時資料,其余均為每日4個時次(02、08、14、20時)資料,包括能見度、風向、風速、相對濕度和氣溫等。另外,本文還用到了1995—2006年西連島站附近的連云港海洋站的水溫月報表資料。

2 江蘇沿海地區(qū)霧氣候特征

2.1 沿海地區(qū)霧的空間分布

圖1給出了江蘇沿海6個代表站1960—2008年49 a平均霧日數情況,可以看出,江蘇沿海地區(qū)霧日數分布存在明顯的差異,其中射陽和大豐(代表江淮之間)明顯高于其他地區(qū),最多的大豐站年總日數達50 d,贛榆和西連島較少,其中最少的西連島不足19 d。沿海地區(qū)霧日數呈現出江蘇江淮地區(qū)>沿江蘇南地區(qū)>淮北地區(qū)的特點。

2.2 沿海地區(qū)霧的時間分布

2.2.1 年代際變化

圖2給出了江蘇沿海6測站霧日數的年際變化。由圖2可以看出,1960—2008年期間逐年霧日數起伏變化。從趨勢上看,除西連島外,各地都是一個先上升后下降的趨勢,并且在20世紀80—90年代出現極大值,而西連島在近年卻出現上升趨勢。統計結果(表1)也表明,西連島各個年代霧日數變化不大,90年代略多,70年代略偏少。其他幾個站在進入70年代后,霧日數均有所增加,總體上看,70和80年代較多,到90年代霧日數略有下降,而進入21世紀后,霧日數均出現明顯下降,是自60年以來霧日數最少的年代,其中贛榆、射陽、呂泗較90年代相比減少1/2以上。

2.2.2 季節(jié)變化

圖1 江蘇沿海地區(qū)的年霧日數(單位:d/a)Fig.1 The annual frequency of fog occurrence in the coastal areas of Jiangsu(units:d/a)

圖2 江蘇沿海6測站霧日數的年際變化 a.贛榆和西連島;b.射陽和大豐;c.如東和呂泗Fig.2 Interannual variation of foggy days at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu a.Ganyu and Xiliandao;b.Sheyang and Dafeng;c.Rudong and Lüsi

從江蘇沿海6站1960—2008年49 a平均的霧日數的月變化曲線(圖3)來看,沿海地區(qū)霧日數有明顯的季節(jié)變化,基本上呈春季和冬初季節(jié)多、夏秋季節(jié)少的分布特點。霧日數曲線變化除西連島為單峰單谷型(分別出現在4月和9月)分布外,其他地區(qū)呈現出雙峰雙谷型,其中谷值分別出現在8—9月和1—2月,而峰值出現在3—6月和10—12月,其中3—6月最為明顯。不同地區(qū)的谷峰值所在月份略有差異,如東和呂泗第二峰值出現在12月,較其他地區(qū)晚1至2個月?？梢?江蘇沿海地區(qū)霧季節(jié)分布與內陸地區(qū)主要集中在秋冬季節(jié)[18]不同,同時與浙江沿海霧[11]和大連近海霧[14]主要出現在春季的特點也有些差異。

表1 江蘇沿海6測站各年代的平均年霧日數Table1 Annual foggy days at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu in each decade

降溫和增濕是霧形成的兩個重要途徑[16]。進入春季后,環(huán)流調整,江蘇沿海地區(qū)多吹東風和東南風,有利于東海的暖濕氣流吹到江蘇沿海相對較冷的海面,在海上凝結形成海霧,繼而在合適的風場作用下吹向沿海地區(qū),造成沿海地區(qū)出現大霧,主要以平流霧居多。這正是江蘇沿海地區(qū)3—6月多霧的主要原因。而在11月—次年1月濕度雖小,但氣溫下降,夜晚輻射降溫有利于輻射霧的形成,即局地形成的輻射霧作用,使得這段時間出現了一年中又一個小的霧日數峰值。8月、9月盡管濕度較大,但由于海面溫度太高,飽和水汽壓增大,空氣難以達到飽和,不利于霧的形成?？梢?江蘇沿海地區(qū)霧季節(jié)分布上的兩個峰值的主要霧類型不同,春季以平流霧為主,冬季以輻射霧為主。

2.3 沿海地區(qū)霧的日變化及不同等級霧的變化

圖3 江蘇沿海6測站霧日數的月變化 a.贛榆和西連島;b.射陽和大豐;c.如東和呂泗Fig.3 The m onthly change of foggy days at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu a.Ganyu and Xiliandao;b.Sheyang and D afeng;c.Rudong and Lüsi

圖4 3個代表測站不同季節(jié)霧的日變化 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.4 Diurnal variation of fog at three observational stations in different seasons a.in spring;b.in summer;c.in autumn;d.in winter

對贛榆、呂泗和射陽3個測站霧日天氣下的日變化分季節(jié)進行統計(圖4)發(fā)現,江蘇沿海地區(qū)霧一天當中任何時次都有可能出現。總體上看,進入午夜后,霧出現頻次逐漸增大,而在日出后,霧出現頻次逐漸減小,一天當中霧大部分時段出現在01:00—09:00。季節(jié)分布上看,在午夜到早上這段時間,春季大部分時次霧出現次數都要高于其他季節(jié);春冬季節(jié)在前半夜出現霧的次數也是明顯高于夏秋季節(jié);另外,夏季霧出現時次集中度最高,各地區(qū)70%以上的霧都出現在03:00—08:00這段時間,而在下午這段時間霧極少出現;春秋季節(jié)霧頻次最高的出現在06:00—07:00,冬季07:00—08:00最多,高發(fā)時次有所后延。江蘇沿海地區(qū)這種總的日變化與其他沿海地區(qū)霧[11-14]比較一致。這主要是因為夜晚輻射降溫的作用;同時,夜里吹海風,也利于海上的暖濕氣流吹到陸地,促進霧的形成。

按水平能見距離的不同,可將霧劃分為以下4個級別[19]:淡霧(能見度500～1 000m)、中濃霧(能見度200～500m)、濃霧(能見度50～200m)、強濃霧(能見度不足50m)。這里利用呂泗站點1992—2008年逐時霧能見度資料,對江蘇沿海霧的不同等級情況進行統計分析(圖5)。可以看到,各季節(jié)均以淡霧為主,中濃霧次之,且主要出現在夜里至早晨這段時間,各級霧都在日出前后出現最多,10時后,能見度低于500m的霧都明顯減少,其中夏秋季節(jié)濃霧和強濃霧極少出現,特別是夏季出現次數不足總數的5%。傍晚前后開始,春冬季節(jié)不同等級的霧都開始逐漸增多,其中濃霧和強濃霧增長緩慢,這是由于夜晚輻射降溫,霧剛開始形成,主要以能見度在500m以上的霧為主。而午夜后,各類霧均開始大幅上升,其中,能見度50m以上的霧在06時左右次數達到最大值,而強濃霧仍在增加,這時部分濃霧及以下級別的霧隨著夜晚輻射降溫增強逐漸轉變成了強濃霧,在07時(春季)或08時(冬季)前后強濃霧次數達到最大,這與日出后濕地表水汽蒸發(fā),霧的爆發(fā)性增長密切相關[20]。隨著太陽輻射進一步增強,近地層溫度上升,08時后霧開始逐漸消散,不同等級霧次數都逐漸下降?？傮w來說,一天中,午夜至早上08時、09時這段時間各類霧次數較多,而在中午前后至傍晚前這段時間霧相對較少。

2.4 持續(xù)時間

不同霧過程的持續(xù)時間t長短不一,參照劉小寧等[21]對霧日持續(xù)時間的分級,將其分為4個等級:0～3h、3～6h、6～12h以及>12h。統計贛榆、呂泗和射陽3個地區(qū)49a不同持續(xù)時間等級霧的發(fā)生頻次(表2)。由表可知,各地霧過程出現的頻次隨著霧持續(xù)時間的增加而減少。其中出現頻次最多的t在0～3h內,各地均占60%以上;其次為3～6h,頻次為18%～24%;6～12h在各地占9%～15%。可見,各地區(qū)83%以上的霧持續(xù)時間都在6 h內,其中射陽站達到88%,而t>12h的霧過程在各地所占比例都不到5%,尤其是呂泗不到2%,即長時間維持的霧較少。贛榆和射陽兩地的較長時間(大于6h)維持的霧都占到總數的15%以上。按季節(jié)進行統計(表略)也有類似的結論,這里不再一一分析。盡管持續(xù)時間長的霧過程所占比例較小,但這類霧往往給交通運輸等帶來的危害最大,更需要引起足夠的重視。為此,進一步統計持續(xù)時間大于6h的霧過程頻次的年代變化(表3)。可以看到,持續(xù)時間大于6h的霧過程在當代所占的比例隨年代呈增大趨勢。盡管霧過程數進入20世紀90年代后開始下降,尤其是進入21世紀后大幅下降,但持續(xù)時間較長的霧比例卻在增長,并且霧持續(xù)極端最長時間也較60、70年有明顯的增加,其中持續(xù)時間最長一次霧過程出現在贛榆的2002年1月13—15日,長達近58h。

表2 1960—2008年霧過程不同持續(xù)時間段的頻次分布Table2 Statistics for duration of fog event from1960to2008%

圖5 四季不同等級霧的日變化 a.春季;b.夏季;c.秋季;d.冬季Fig.5 Diurnal variation of fog with different grades in different seasons a.in spring;b.in summer;c.in autumn;d.in w inter

綜上所述,霧日數呈減少趨勢,但出現持續(xù)時間較長的霧的概率在增加,并且霧持續(xù)時間極端最長在近年來有上升趨勢,湄洲灣等地[22]也有同樣的現象,這主要是由于城市快速發(fā)展及工業(yè)化進程造成的“城市熱島效應”的結果[23-24]。近年來,城市規(guī)模擴大,社會經濟發(fā)展,煤炭等能源消耗增多,導致城市熱島增強,相對濕度下降;另外城市發(fā)展使得空氣污染加劇,籠罩在城市上空的大氣氣溶膠粒子明顯增多,增加大氣逆輻射,使得夜晚近地層輻射降溫難,不利于空氣達到飽和,從而阻礙了城市霧的形成,這些直接導致霧日近年來呈減少趨勢,而相應的霾日數卻呈現出增長的趨勢[25-26]。另一方面,氣溶膠粒子的增多,不利于城市白天輻射升溫[27-28],從而使得霧的消散時間推后,霧持續(xù)時間延長。

表3 持續(xù)時間大于6 h的霧過程頻次的年代際變化和極端最長時間Table3 Interdecadal variation of fog frequency with duration exceeding six hours and the extreme longest time

3 沿海地區(qū)霧相關因子分析

3.1 風向、風速

霧的生成與風速風向有密切的關系。本文利用6站點49a每日4次資料進行統計,獲得霧時次時其風速風向的分布特征(表4和圖6)?？傮w而言,霧絕大多數發(fā)生在風速小于等于7m/s的情況,除西連島(84.8%)外,各地區(qū)均達98%以上,且最集中的都在3m/s以內,頻次為75%～83%,其中大部分在1～3m/s時最適宜;當風速超過9m/s后,除西連島占6.0%,其他地區(qū)都不足1%?？梢?風速過大,湍流混合層較厚,阻礙近地面層冷卻,不利于霧的形成。而適宜的風速既能使冷卻作用擴展至適當的氣層中去,又不影響下層空氣的充分冷卻和水汽的保存,最有利于霧的形成。從不同季節(jié)(表4)來看,大部分地區(qū)霧都以風速在1～3m/s時出現最多,春季各地區(qū)5～7m/s時次之,其他季節(jié)1 m/s以內次之。而西連島地區(qū)相比其他地區(qū)距離海邊最近,其風速普遍要大,春季霧日數在3～5m/s最多,且在5～7m/s內多達9.4%。

從霧發(fā)生的風向分布(圖6)來看,江蘇沿海地區(qū)霧多出現在NN E—SSE情況下。各地區(qū)略有差異,其中贛榆以N E和EN E為主,其他地區(qū)都是以東到東南風為主?？傊?霧發(fā)生期間,偏東的分量占有重要比例。一個原因是海上的水汽源源不斷輸送,為霧的形成和發(fā)展提供有利條件;而另一方面,在近海地區(qū)有霧形成時,適宜的風向將其吹向陸地,造成沿海地區(qū)霧的形成。

表4 沿海6測站霧天氣下各風速段的頻次分布Table4 Frequency distribution of wind speed in foggy w eather at six observational stations in the coastal areas%

圖6 江蘇沿海6測站有霧時的風向分布(單位:次) a.贛榆;b.西連島;c.射陽;d.大豐;e.如東;f.呂泗Fig.6 D istributions of wind direction w hen foggy at six observational stations in the coastal areas of Jiangsu a.Ganyu;b.X iliandao;c.Sheyang;d.D afeng;e.Rudong;f.Lüsi

3.2 沿海地區(qū)霧與海溫的關系

從前面的分析可以看到,在春季海霧多發(fā)的季節(jié),江蘇沿海地區(qū)霧日數也出現峰值,可見海霧的頻發(fā)是造成沿海地區(qū)霧多的一個重要的原因。許多研究[29-30]表明,海霧多以平流冷卻霧為主,而平流冷卻霧是暖洋面上形成的暖濕氣流輸送到冷水面,低層空氣下降至露點溫度而成的霧,因此它的形成離不開海溫場的作用及適當的海水表面溫度與低空空氣溫度的差值即海—氣溫差。這里選用從1995—2006年西連島站溫度數據和臨近的連云港海洋站的水溫月報表資料,統計海表面水溫、?！獨鉁夭钆c海霧日數的關系。從霧日與海溫關系(圖7)可以看到,霧日數頻率在海溫5～10℃時最多,達28.1%,當海溫超過10℃時,霧日數逐漸減少;半數以上(64%)的霧日出現在海溫低于15℃的條件下,其中92%的霧日出現在海溫低于25℃,且海溫高于28℃的情況下霧極少出現。由表5可知,3—6月為西連島霧日多發(fā)期,約占總數50%,平均海水溫度為7.45～22.24℃,海氣溫差為負值,其中平均霧日數最多的4月海氣溫差達-1.48℃,這是由于入春后環(huán)流調整,暖濕氣團不斷加強北抬,與西連島近海冷海水區(qū)相接觸,在海面表層垂直方向上?！獨鉁夭罴哟?熱量交換加劇,水汽趨于飽和而凝結成霧。7—9月海水平均溫度高于24℃,霧日數明顯減少,可見海溫高于一定的上限也不利于海霧的形成。

圖7 霧日數頻率與海溫的關系Fig.7 Relation between the fog frequency and SST

4 小結

1)江蘇沿海地區(qū)霧日數呈現出江淮地區(qū)>沿江蘇南地區(qū)>淮北地區(qū)的特點。

2)江蘇沿海地區(qū)逐年霧日數總體是一個先上升后下降的趨勢,20世紀70和80年代較多,進入21世紀后明顯下降。沿海地區(qū)霧日數有明顯的季節(jié)變化,總體呈春季和冬初季節(jié)多(主要在3—6月和10—12月)、夏秋季節(jié)少的分布特點。

3)一天當中霧大部分時段出現在01—09時,春秋季節(jié)霧頻次最高的時次在早上的06—07時,冬季07—08時最多。各季節(jié)均以淡霧為主,中濃霧次之,且主要出現在夜里至早晨這段時間,強濃霧次數在07時(春季)或08時(冬季)前后達到最大。

4)各地霧過程出現的頻次隨著霧持續(xù)時間的增加而減少。持續(xù)時間較長的霧的概率在增加,并且霧持續(xù)時間極端最長在近年來有上升趨勢。

5)江蘇沿海地區(qū)霧絕大多數發(fā)生在風速7m/s以內的情況,以1～3m/s最為適宜,且多出現在NN E—SSE情況下。

6)霧季平均海水溫度為7.45～22.24℃,海氣溫差為負值,92%的霧日出現在海溫低于25℃的情況下。

表5 1995—2006年西連島站海溫、氣溫及其差值和平均霧日數的月平均分布Table5 M onthly distribution of SST and air temperature,their difference,and fog frequency at X iliandao station from1995to2006

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Climatic Characteristics of Fog and Its Relevant Influencing Factors over the Coastal Areas of Jiangsu

WEIJian-su1,2,ZHU Wei-jun1,YAN Wen-lian2,SUN Yan2,WU Jie3,LIU Jian-wen4

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Meteorological Observatory,Nanjing 210008,China;3.Jiangsu Meteorological Science and Technology Service Center,Nanjing 210008,China;4.Hebei Meteorological Science and Technology Service Center,Shijiazhuang 050021,China)

Based on the meteorological observations at six stations in the coastal areas of Jiangsu from 1960 to 2008,the temporal and spatial characteristics of coastal fog,the duration of fog events and its relevant influencing factors are statistically analyzed.Results show that the number of foggy days varies not only from space to space on the basis of annual mean with largest over Jianghuai,then successively less in Yanjiang,Sunan,and least over Huaibei,but also from season to season with more in spring and winter and less in summer and autumn.Among the period of study it also shows a clear interdecadal variation with an increasing tendency during the first several years then after a decreasing tendency,and the significantly decrease appears in the 21st century.The foggy days is more in the spring and beginning of winter,and little in summer and autumn.Generally most fog events in a certain day occur between 0100 and 0900 UTC,but the highest fog frequency appears at 0600—0700 UTC in spring and autumn,and the maximum frequency of severe dense fog appears at nearly 0700 UTC in spring or 0800 UTC in winter.All over the regions of study the frequency of fog occurrence reduces with increase of the duration of the fog event,buthas an increase tendency recently for those fog events which could last for more than 6 hours,and so does the extremely longest persisting time of fog events.The coastal fogmost often takes place under the condition that wind speed is≤7 m/s(best 1—3 m/s)and wind direction is NNE-SSE.In addition,the foggy days in spring and autumn have obvious relevance with the nearby ocean,and the appropriate averaged sea surface temperature(SST)of fog season is between 7.45 and 22.24℃.

fog;climatic characteristics;wind speed;sea surface temperature;coastal areas of Jiangsu

P466

A

1674-7097(2010)06-0680-08

2009-12-23;改回日期:2010-09-22

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY(QX)2007-6-26);江蘇省科技廳社會發(fā)展項目(BS2007088);江蘇省科技廳社會發(fā)展指導性項目(2006556)

魏建蘇(1959—),男,江蘇建湖人,高級工程師,研究方向為天氣預報與應用氣象,weijiansu@yahoo.com.cn.

魏建蘇,朱偉軍,嚴文蓮,等.江蘇沿海地區(qū)霧的氣候特征及相關影響因子[J].大氣科學學報,2010,33(6):680-687.Wei Jian-su,ZhuWei-jun,YanWen-lian,et al.Climatic characteristics of fog and its relevant influencing factors over the coastal areas of Jiangsu[J].Trans Atmos Sci,2010,33(6):680-687.

(責任編輯:倪東鴻)